一種基于磁電式的角度傳感器設(shè)計(jì)

1.引言

角度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空、航天、航海、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。它主要分為接觸式和非接觸式兩種，由于接觸式的角度傳感器隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)存在機(jī)械磨損、精度降低、經(jīng)常維修甚至更換新設(shè)備等缺點(diǎn)，這不僅提高了生產(chǎn)成本還容易使被測(cè)設(shè)備的質(zhì)量沒保證，而非接觸式角度傳感器則克服了這些缺點(diǎn)。常用的非接觸式角度傳感器有光電式和磁電式的。光電式的雖然精度比磁電式的高，但對(duì)環(huán)境要求苛刻、抗震性也較差，因此也就不適用于環(huán)境較復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)所。正是基于這些問題，設(shè)計(jì)一種基于磁電式的角度傳感器，它具有成本低廉，抗干擾性高，分辨力在0.5° 以內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理

整個(gè)系統(tǒng)有四部分組成，分別為電源模塊，磁傳感器信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、信號(hào)輸出模塊，硬件框圖如圖1所示。

磁傳感器信號(hào)采集模塊主要通過集成有雙軸霍爾元件的集成芯片感知角度的變化，并以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)方式輸出到微處理器中，經(jīng)過一定的編碼和解碼，由微處理器輸出工業(yè)用的電壓或電流信號(hào)，或者以串口通信方式輸出數(shù)字信號(hào)。為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜度和誤差來(lái)源，信號(hào)采集單元選擇Melexis公司的MLX90316芯片。它屬于CMOS霍爾傳感器，可以輸出與芯片表面平行的磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的角度位置信息，并以SPI的串行通信方式輸出數(shù)字信號(hào)，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，這極大的減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。微處理模塊選用Freescale公司的MC9S08DZ60,它是一款小體積、低成本、低功耗和較多外部接口的16位微處理器。

它具有24路12位的A/D通道、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(MSCAN)、串行外圍設(shè)備接口模塊(SPI)、串行通信接口(SCI/USART)、內(nèi)部集成電路總線(IIC)等外設(shè)數(shù)字接口，很適合與外界進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

角度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有三部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和檢測(cè)電路。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)軸、磁鐵和傳感器位置的機(jī)械偏差將決定系統(tǒng)測(cè)量的精確度。相比于理想的Sine和 Cosine 輸出曲線，機(jī)械誤差可以導(dǎo)致附加的電壓偏移、相位偏移、幅度變化以及非線性誤差等。

磁鐵到傳感器軸距的下限由飽和效應(yīng)(電氣或磁場(chǎng))所決定，上限由信噪比、信號(hào)與偏移電壓的比例來(lái)決定。

由于旋轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)械磨損以及震動(dòng)產(chǎn)生的軸偏移位置都將導(dǎo)致角度輸出信號(hào)的非線性，圖3揭示了磁鐵軸心的非線性度導(dǎo)致的角度誤差。

由圖3可知磁鐵的軸心偏離的越大，最終輸出的角度誤差越大，因此要保證輸出角度的精度，所選取的磁體的軸心的偏離度應(yīng)滿足一定的同心度。4.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的核心是磁傳感器信號(hào)采集模塊，它主要是利用磁傳感器芯片MLX90316 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它可以把磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為角度信息。信號(hào)采集電路如圖4所示。

MLX90316芯片是集成了Tria 度isTM型的CMOS霍爾傳感器，當(dāng)外加磁場(chǎng)的分量與芯片表面平行時(shí)則可輸出兩路正交磁場(chǎng)信息，根據(jù)這一特點(diǎn)可以獲得對(duì)應(yīng)的角度位置信息，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

當(dāng)小型磁鐵(徑向磁化)在芯片表面上方旋轉(zhuǎn)時(shí)，MLX90316芯片內(nèi)的集磁片(IMC)可以將平行作用于芯片表面的磁場(chǎng)集中起來(lái)，并在IMC結(jié)構(gòu)的邊緣產(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的垂直分量，再通過兩對(duì)位于 IMC下方的傳統(tǒng)平面霍爾元件來(lái)檢測(cè)此信號(hào)。這兩對(duì)霍爾元件的放置方向相互垂直，并都平行于芯片表面(X軸和Y軸方向)，通過這樣的結(jié)構(gòu)可以將實(shí)際角度編碼為兩個(gè)相位差為90°的正弦信號(hào)x V 和y V ,并正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。